龐亞?wèn)|，倪 敏

（北京國(guó)電華北電力工程有限公司，北京市，100120）

0 引言

國(guó)家電網(wǎng)公司1000 kV晉東南—南陽(yáng)—荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范工程已經(jīng)成功投運(yùn)。全面總結(jié)特高壓試驗(yàn)示范工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)指導(dǎo)后續(xù)1000 kV變電站工程設(shè)計(jì)符合安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境友好的原則，促進(jìn)電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

晉東南變電站1000 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備選用GIS，南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站和荊門(mén)變電站1000 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備選用HGIS。晉東南站GIS的主要技術(shù)參數(shù)為：額定電壓1100kV，母線額定電流8 kA，進(jìn)出線額定電流6.3 kA，額定短時(shí)耐受電流50 kA/2 s；南陽(yáng)站和荊門(mén)站HGIS的主要技術(shù)參數(shù)為：額定電壓1100 kV，進(jìn)出線額定電流6.3 kA(荊門(mén)站5 kA)，額定短時(shí)耐受電流50 kA/2 s。

為了確保人身和設(shè)備安全，GIS和HGIS均采用了多種接地措施。1000 kV GIS（HGIS）通流容量大，工作電流呈正弦交變，使設(shè)備外殼對(duì)地之間感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生持續(xù)的感應(yīng)電流。同時(shí)，在GIS（HGIS）中存在快速暫態(tài)(VFT)過(guò)程，在其作用下將產(chǎn)生快速暫態(tài)過(guò)電壓(VFTO)，在此過(guò)程中，可能在GIS接地的外殼上出現(xiàn)暫態(tài)接地電位升(TGPR)。

針對(duì)1000 kV設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)備的接地方案一方面要依靠設(shè)備自身采取措施，另外需要制訂合理設(shè)計(jì)原則，使其既方便施工，又保證人身和設(shè)備安全。

1 設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)GIS(HGIS)的接地要求

安全接地設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)2個(gè)目標(biāo)：一是在正常和故障條件下，將電流引入到大地，不超過(guò)任何運(yùn)行和設(shè)備的限制，即保證設(shè)備安全；二是保證運(yùn)行人員人身安全。HGIS相當(dāng)于母線敞開(kāi)式布置的GIS，從而針對(duì)GIS的接地要求，同樣適用于HGIS，同時(shí)由于HGIS相間距離大，其接地要求更高，技術(shù)方案也更為復(fù)雜。將國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)程針對(duì)GIS接地要求的條款進(jìn)行匯總，以便使特高壓工程的接地設(shè)計(jì)方案能夠有的放矢。

1.1 DL/T5352—2006《高壓配電裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》

（1）GIS配電裝置感應(yīng)電壓不應(yīng)危及人身和設(shè)備的安全。外殼和支架上的感應(yīng)電壓，正常運(yùn)行條件下不應(yīng)大于24 V，故障條件下不應(yīng)大于100 V。

（2）在GIS配電裝置間隔內(nèi)，應(yīng)設(shè)置1條貫穿所有GIS間隔的接地母線或環(huán)形接地母線。將GIS配電裝置的接地線引至接地母線，由接地母線再與接地網(wǎng)相連。

（3）GIS配電裝置選用分相設(shè)備時(shí)，應(yīng)設(shè)置外殼三相短路線，并在短路線上引出接地線通過(guò)接地母線接地。

外殼的三相短接線的截面應(yīng)能承受長(zhǎng)期通過(guò)的最大感應(yīng)電流，并應(yīng)按短路電流校驗(yàn)。

1.2 DL/T 5091—1999《水力發(fā)電廠接地技術(shù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》

（1）離相式GIS宜采取多點(diǎn)接地方式。接地線布置在三相短接板處，使接地線在正常運(yùn)行時(shí)，只流過(guò)不平衡電流。離相式GIS外殼感應(yīng)電流約為80%導(dǎo)體電流，其外漏磁很少，通常不會(huì)引起鋼構(gòu)發(fā)熱。

（2）專(zhuān)用接地母線及與地網(wǎng)連接線的截面應(yīng)按最大單相短路電流的70%進(jìn)行選擇，熱穩(wěn)定時(shí)間按2s考慮。

1.3 GB 5064《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）

GIS外部近區(qū)故障人觸摸GIS的金屬外殼時(shí)，手—腳的接觸電位差應(yīng)滿足

式中：Utmax為接地網(wǎng)最大接觸電位差，由人腳下的點(diǎn)所決定；U'tomax為GIS外殼上、外殼之間或這些外殼與任何水平/垂直支架之間金屬到金屬因感應(yīng)產(chǎn)生的最大電壓差；Ut為接觸電位差容許值。

1.4 IEEE Std 80—2000《交流變電站安全接地導(dǎo)則》

由于GIS的緊湊結(jié)構(gòu)特征和短尺寸，在絕緣氣體中的電氣擊穿、母線對(duì)地?fù)舸┗蜻\(yùn)行期間斷路器或隔離開(kāi)關(guān)操作時(shí)，兩觸頭間的氣體擊穿都將產(chǎn)生高頻的暫態(tài)分量，可能耦合到接地系統(tǒng)中。在整個(gè)接地系統(tǒng)中必須考慮這些暫態(tài)分量，它可能引起幅值很高、持續(xù)時(shí)間很短的地電位上升。

1.5 小結(jié)

可以看出，相關(guān)規(guī)程中對(duì)GIS接地均作出了具體要求，因此，具體工程中GIS和HGIS接地設(shè)計(jì)需要結(jié)合工程情況、設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行深入研究，以滿足規(guī)程要求。

2 GIS和HGIS的感應(yīng)電流分析

2.1 GIS感應(yīng)電流

對(duì)于典型的GIS變電站，GIS外殼通過(guò)短接母排短接后，在正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)備外殼上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向相反而其數(shù)值幾乎與母線導(dǎo)體上流過(guò)的電流相等的感應(yīng)電流，使得殼外的剩余磁場(chǎng)大為降低，設(shè)備周?chē)闹Ъ?、基礎(chǔ)及接地網(wǎng)中幾乎不存在熱損耗或溫升。

交流特高壓試驗(yàn)示范工程中，晉東南1000 kV變電站采用GIS。由于其外形尺寸大，額定電流達(dá)到6.3kA，其對(duì)外殼、支架及接地線感應(yīng)電流不容忽視。通過(guò)設(shè)備廠家解析計(jì)算，可以得到如下主要結(jié)論。

（1）關(guān)于接地線感應(yīng)電流，套管部位最大，達(dá)到額定電流的12%，其值約為800 A。

（2）GIS短路板處接地線電流，應(yīng)在額定電流的5%以?xún)?nèi)，其值小于350 A。

（3）短路板在套管處的電流值約為額定電流的40%，其值約為2.8 kA。在主母線側(cè)的電流值約為額定電流的63%，其值約為4.4 kA。

（4）當(dāng)導(dǎo)體電流為6.93 kA時(shí)，A相和C相殼體電流值為4.8 kA，低于DL/T 5091—1999《水力發(fā)電廠接地技術(shù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中的經(jīng)驗(yàn)值，證明外漏磁較多，B相殼體電流值為6.022 kA。

1000 kV GIS各點(diǎn)接地線感應(yīng)電流分布如圖1所示。

2.2 HGIS感應(yīng)電流

在正常的工作狀態(tài)下，HGIS接地網(wǎng)中的感應(yīng)電流要明顯高于典型的GIS變電站。其主要原因在于1000 kV HGIS相間距離達(dá)到15 m，導(dǎo)致HGIS設(shè)備外殼上的感應(yīng)回流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，初步計(jì)算結(jié)果表明外殼感應(yīng)電流不足額定電流的65%。殼外的剩余磁場(chǎng)不為0，該剩余磁場(chǎng)在接地網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流。

南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站和荊門(mén)變電站均采用HGIS。生產(chǎn)廠家通過(guò)EMTP（電磁暫態(tài)計(jì)算程序）計(jì)算軟件，得出荊門(mén)變電站（額定電流4kA）地網(wǎng)中的感應(yīng)電流情況。

工況1：計(jì)算時(shí)考慮了HGIS專(zhuān)用銅接地網(wǎng)，銅接地母線假定敷設(shè)深度為0.4 m。

工況2：同工況1相比，在GIS的套管端部增加考慮了匯流母排。

工況3：同工況2相比，增加考慮了設(shè)備基礎(chǔ)下方0.8 m深處敷設(shè)的變電站主地網(wǎng)的影響。變電站主地網(wǎng)材質(zhì)為扁鋼。

各種工況下感應(yīng)電流值參見(jiàn)表1，表1中的計(jì)算點(diǎn)在HGIS的具體位置見(jiàn)圖2。

通過(guò)計(jì)算，以工況3為參考，HGIS工作電流為4 kA時(shí)，端部引下線感應(yīng)電流為939 A，相間短路線為1.864 kA/850 A。

表1 3種工況下HGIS匯流母線及主地網(wǎng)中的感應(yīng)電流Tab.1 HGIS collector bus and main ground network induced current A

由上述分析可見(jiàn)，GIS和HGIS接地線均存在較大的感應(yīng)電流，尤其HGIS更為嚴(yán)重。GIS和HGIS接地線感應(yīng)電流持續(xù)存在，且注入到主地網(wǎng)中，因此需選擇滿足熱穩(wěn)定要求的接地線，并需對(duì)設(shè)備下的主接地網(wǎng)做適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。

3 接地設(shè)計(jì)方案

交流特高壓試驗(yàn)示范工程，主地網(wǎng)均采用熱鍍鋅扁鋼，設(shè)計(jì)網(wǎng)格尺寸為15～20 m，理論上只要變電站的接地電阻值滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，接地線截面滿足長(zhǎng)期感應(yīng)電流要求就沒(méi)有問(wèn)題。但從工程施工方便考慮，1000 kV GIS接地點(diǎn)眾多；HGIS相間距離大，需設(shè)置相間匯流母線。采用接地引下線直接與主地網(wǎng)連接方式，施工難度大，1000 kV設(shè)備基礎(chǔ)體積較大，混凝土一般分2次施工，因此鋪設(shè)適當(dāng)間距的輔助地網(wǎng)是最佳方案。

3.1 晉東南變電站GIS輔助地網(wǎng)方案

（1）由于1000 kV GIS接地引下點(diǎn)數(shù)量眾多，但局部相對(duì)比較集中，且分布較有規(guī)律（沿縱向直線排列），因此鋪設(shè)5 m×5 m的輔助接地網(wǎng)較為合理。

（2）輔助接地網(wǎng)敷設(shè)于GIS基礎(chǔ)的二次澆灌層以下。

（3）輔助地網(wǎng)采用70 mm×10 mm熱鍍鋅扁鋼，輔助接地網(wǎng)外緣的交叉處就近與主接地網(wǎng)交叉處連接，連接線在出基礎(chǔ)混凝土后的500 mm的范圍內(nèi)做防腐處理。

（4）基礎(chǔ)表面上設(shè)置與GIS連接的接地端子，接地端子與輔助接地網(wǎng)交叉點(diǎn)處用70 mm×6 mm銅板可靠連接。

接地網(wǎng)連接示意圖見(jiàn)圖3。

3.2 荊門(mén)變電站HGIS輔助地網(wǎng)方案

1000 kV HGIS的接地必須要滿足正常運(yùn)行時(shí)地網(wǎng)中的感應(yīng)電流及短路熱穩(wěn)定的要求，根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果HGIS接地設(shè)計(jì)方案如下：

（1）HGIS輔助地網(wǎng)采用50 mm×5 mm的銅排。

（2）在HGIS兩端母線套管的下方需敷設(shè)2根平行的50 mm×5 mm的銅排。

（3）為了降低主地網(wǎng)尤其是套管下方主地網(wǎng)中的電流，在HGIS兩側(cè)套管處需采用2×50 mm×5 mm的銅排作為匯流母線。

（4）垂直HGIS方向需采用1或2根50mm×5mm的銅排。

（5）輔助地網(wǎng)采用帶絕緣護(hù)套的銅絞線或銅排，敷設(shè)在HGIS基礎(chǔ)二次灌漿層之下，銅絞線與主地網(wǎng)鍍鋅扁鋼間的焊接采用放熱焊，焊接處用絕緣熱縮材料封閉包裹以防止電化學(xué)腐蝕。

1000 kV HGIS輔助地網(wǎng)連接方式與GIS相似。

3.3 接地設(shè)計(jì)方案分析

特高壓交流試驗(yàn)示范工程接地方案滿足了相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，具體體現(xiàn)在以下各方面。

（1）GIS、HGIS設(shè)置相間短路線，最大程度上抑制了感應(yīng)電流幅值，滿足正常及事故狀態(tài)下，設(shè)備外殼和支架上感應(yīng)電壓的要求。

（2）對(duì)于主回路上發(fā)生的快速暫態(tài)過(guò)電壓(VFTO)，主要通過(guò)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)上設(shè)置電阻的方式抑制。

（3）輔助地網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合設(shè)備資料和土建基礎(chǔ)施工方案，合理確定埋設(shè)深度和網(wǎng)格尺寸。

（4）輔助地網(wǎng)及其接地連接線的截面尺寸，一方面應(yīng)能承受長(zhǎng)期通過(guò)的最大感應(yīng)電流，同時(shí)要按最大單相短路電流來(lái)校驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)保證設(shè)備外殼及接地線溫升滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）采用GIS或HGIS時(shí)，計(jì)算最大接觸電壓應(yīng)考慮設(shè)備外殼、外殼間以及外殼與支架的感應(yīng)電壓的影響，因此，需要采取措施減少漏磁，降低感應(yīng)電流。

4 結(jié)論

隨著交流特高壓試驗(yàn)示范工程的成功投運(yùn)，1000 kV GIS和HGIS的接地問(wèn)題得到了很好的解決，對(duì)后續(xù)特高壓工程具有很好的示范作用。

（1）具有氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)裝置的變電站(GIS和HGIS變電站)接地電阻的要求與常規(guī)變電站基本相同。

（2）考慮便于施工，同時(shí)為滿足1000 kV GIS和HGIS外殼感應(yīng)電流的釋放、開(kāi)關(guān)設(shè)備操作引起的快速暫態(tài)電流的快速流散等，應(yīng)就近設(shè)置GIS（HGIS）區(qū)域輔助接地網(wǎng)。該輔助接地網(wǎng)細(xì)節(jié)應(yīng)由設(shè)備制造廠提出要求或設(shè)計(jì)。

（3）為了快速流散正常時(shí)的感應(yīng)電流和GIS操作時(shí)產(chǎn)生的快速暫態(tài)電流，GIS（HGIS）區(qū)域?qū)Ｓ媒拥鼐W(wǎng)宜采用銅導(dǎo)體。同時(shí)為了防止專(zhuān)用接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)采用不同導(dǎo)體材料產(chǎn)生的腐蝕，主接地網(wǎng)也宜采用銅或鍍銅鋼材料。

（4）對(duì)于500 kV氣體絕緣變電站，由于系統(tǒng)要求其通流容量日益增大，需要參照特高壓工程考慮并加強(qiáng)輔助地網(wǎng)的設(shè)計(jì)工作。

[1]DL/T 5352—2006高壓配電裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]DL/T 5091—1999水力發(fā)電廠接地技術(shù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].

[3]GB5064交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范（征求意見(jiàn)稿）[S].

[4]戚迎，鐘偉華，戚樂(lè).±800 kV復(fù)龍換流站共用接地極設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].電力建設(shè)，2008，29(4)∶16-19.

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